光パラメトリック発振器

光パラメトリック発振器（OPO）は、光周波数で発振するパラメトリック発振器です。入力レーザー波（「ポンプ」と呼ばれる）を周波数に変換します。$\displaystyle \omega _{p}}$より低い周波数の 2 つの出力波に${\displaystyle \omega _{s},\omega _{i}}$二次非線形光学相互作用によって。出力波の周波数の合計は入力波の周波数に等しい。$\displaystyle \omega _{s}+\omega _{i}=\omega _{p}}$[ ^{1 ]歴史的な理由から、2 つの出力波は「信号波」と「アイドラー波」と呼ばれ、周波数の}高い出力波が「信号波」です。出力周波数がポンプ周波数の 1/2 である縮退 OPO は特殊なケースです。${\displaystyle \omega _{s}=\omega _{i}=\omega _{p}/2}$これは、信号光とアイドラー光が同じ偏光を持つ場合に、半高調波発生を引き起こす可能性がある。

最初の光パラメトリック発振器は、レーザーの発明から5年後の1965年に、ベル研究所でジョセフ・A・ジョルメインとロバート・C・ミラーによって実証されました。 ^{[ 2 ]}光パラメトリック発振器は、さまざまな科学的目的のためのコヒーレント光源として、また量子力学研究のためのスクイーズド光を生成するために使用されます。ソ連の報告書も1965年に発表されました。^{[ 3 ]}

OPOは基本的に光共振器と非線形光学結晶から構成されます。光共振器は、信号波とアイドラー波の少なくとも一方を共振させる役割を果たします。非線形光学結晶内では、ポンプ波、信号波、アイドラー波が重なり合います。これら3つの波の相互作用により、信号波とアイドラー波の振幅が増幅され（パラメトリック増幅）、ポンプ波はそれに応じて減衰します。この増幅により、共振波（信号波、アイドラー波、またはその両方）が共振器内で振動し、往復ごとに発生する損失を補償します。この損失には、所望の出力波を生成する共振器ミラーの1つによるアウトカップリング損失も含まれます。損失（相対値）はポンプパワーに依存しませんが、増幅率はポンプパワーに依存するため、ポンプパワーが低い場合は、振動を維持するのに十分な増幅率が得られません。振動は、ポンプパワーが閾値を超えた場合にのみ発生します。閾値を超えると、増幅率は共振波の振幅にも依存します。したがって、定常状態動作においては、共振波の振幅は、この利得が（一定の）損失に等しいという条件によって決定される。循環振幅はポンプ出力の増加とともに増加し、出力電力も同様に増加する。

光子変換効率、すなわち、OPOに単位時間あたりに入射するポンプ光子数に対する出力信号またはアイドラー波の単位時間あたりの出力光子数の割合は、数十パーセントの範囲で高くなる可能性があります。典型的な閾値ポンプパワーは、共振器の損失、相互作用する光の周波数、非線形材料の強度、およびその非線形性に応じて、数十ミリワットから数ワットの間です。数ワットの出力パワーを達成できます。連続波OPOとパルスOPOの両方が存在します。後者の方が構築が容易です。パルスはほんのわずかな時間しか続かないため、連続的な高強度ビームよりも非線形光学材料やミラーへの損傷が少なくなります。

光パラメトリック発振器では、初期アイドラー波と信号波は常に存在する背景波から生成されます。アイドラー波がポンプ光とともに外部から与えられる場合、このプロセスは差周波発生（DFG）と呼ばれます。これは光パラメトリック発振よりも効率的なプロセスであり、原理的には閾値なしで動作可能です。

出力波の周波数を変更するには、ポンプ周波数を変更するか、非線形光学結晶の位相整合特性を変更すればよい。後者は、結晶の温度、方位、または準位相整合周期（後述）を変更することで実現できる。微調整のためには、共振器の光路長を変更することもできる。さらに、共振器には、共振波のモードホップを抑制する要素を含めることができる。そのためには、OPOシステムの一部の要素を能動的に制御する必要がある場合が多い。

非線形光学結晶の位相整合ができない場合は、準位相整合（QPM）を用いることができます。これは、結晶の非線形光学特性を周期的に変化させることによって実現され、主に周期分極によって行われます。適切な周期範囲を用いることで、周期分極ニオブ酸リチウム （PPLN）では700 nmから5000  nmまでの出力波長を生成できます。一般的な励起光源としては、1064 nmまたは532 nmのネオジムレーザーが用いられます。  

OPOの重要な特徴は、生成される放射のコヒーレンスとスペクトル幅です。ポンプパワーが閾値を大きく上回ると、2つの出力波は非常に良い近似でコヒーレント状態（レーザーのような波）になります。共鳴波の線幅は非常に狭く（数kHz程度）、線幅の狭いポンプ波を使用した場合、非共鳴生成波も狭い線幅を示します。狭線幅OPOは分光法で広く使用されています。^{[ 4 ]}

OPOは、連続変数領域でスクイーズドコヒーレント状態とエンタングルド状態の光を生成するために最も広く使用されている物理システムです。連続変数の量子情報プロトコルの多くの実証がOPOを使用して実現されました。^{[ 5 ] [ 6 ]}

ダウンコンバージョン過程は実際には単一光子領域で起こります。キャビティ内で消滅する各ポンプ光子は、信号光とアイドラー光のキャビティ内モードの一対の光子を生成します。これにより、信号光とアイドラー光の強度の間に量子相関が生じ、強度の減算においてスクイージングが発生します^{[ 7 ]。}これが、ダウンコンバージョンされた光が「ツインビーム」と呼ばれるようになった理由です。これまでに達成された最高のスクイージングレベルは12.7  dBです^{[ 8 ] 。}

双子ビームの位相も量子相関があり、 1988年に理論的に予測されたエンタングルメントにつながることが判明した。^{[ 9 ]}閾値以下では、エンタングルメントは1992年に初めて測定され、^{[ 10 ]}閾値以上では2005年に測定された。^{[ 11 ]}

閾値を超えると、ポンプビームの減衰により、結晶内部で起こる量子現象に敏感になります。パラメトリック相互作用後のポンプ場のスクイージングの最初の測定は1997年に行われました。^{[ 12 ]} 最近では、3つの場（ポンプ、信号、アイドラー）すべてがエンタングルメントしている必要があると予測されており、^{[ 13 ]}この予測は同じグループによって実験的に実証されました。^{[ 14 ]}

2つのビームの強度と位相だけでなく、空間モードも量子相関を共有している。^{[ 15 ]}この特徴は、イメージングシステムの信号対雑音比を向上させ、イメージングの標準量子限界（またはショットノイズ限界）を超えるために使用できる。^{[ 16 ]}

OPOは現在、原子遷移に同調したスクイーズド光の光源として使用され、原子がスクイーズド光とどのように相互作用するかを研究するために用いられている。^{[ 17 ]}

2012年に、縮退OPOが後処理を必要としない全光量子乱数発生器として使用できることが実証された。 ^{[ 18 ]}

• 非線形光学
• 光パラメトリック増幅器

OPOに関する記事

• レーザー物理学および技術百科事典